JP2002116403A - 光スキャナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型光スキャナにおけるミラー部の変位検出
を高精度に行う。 【解決手段】 半導体のフレーム部２から延びてミラー
部を支持する弾性支持部３の、フレーム部２との接続部
近傍に４つのピエゾ抵抗２０が設けられ、これらに対応
してフレーム部上には同様の参照ピエゾ抵抗３０が設け
られる。各ピエゾ抵抗はベースリード２７、２８と参照
ベースリード２９により接続され、弾性支持部３の両側
辺寄りのピエゾ抵抗と参照ピエゾ抵抗とで弾性支持部の
捩れ変形を検出するブリッジ回路が形成され、内側のピ
エゾ抵抗と参照ピエゾ抵抗とで弾性支持部の曲げ変形を
検出するブリッジ回路が形成される。ベースリード等に
接続するアルミニウム配線３６、３７はフレーム部２に
形成されるので、弾性支持部３に応力を発生させず、温
度変動に対してもバイメタル効果によるオフセットや共
振周波数の変動が防止されて信頼性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体等のマイク
ロマシニングにより作製する小型の光スキャナに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ミラーを回転させて反射光を所定方向に
操作させる光スキャナは、バーコードリーダーやレーザ
ビームプリンタ、ディスプレイあるいは自動車用レーザ
レーダ等に幅広く用いられるようになっている。このよ
うな光スキャナは、従来、モータでミラーを回転駆動す
るいわゆる機械装置として構成されていたが、その小型
化と高速化を求めて、近年はシリコンをはじめとする半
導体や水晶をマイクロマシニングによる微細加工で形成
するきわめて小型の光スキャナが提案されている。

【０００３】図１１は、例えば特開平９−５４２６４号
公報に開示されたマイクロスキャナの構成を示し、
（ａ）は断面図、（ｂ）は基板の平面図である。（ａ）
に示すように、ミラー部６３を備える基板６０の上下両
面に、基板６０のフレーム部６１において保護板７０、
７２が接合され、サンドイッチ構造となっている。基板
６０はｎ型シリコンで形成され、（ｂ）に示すように、
周辺を画成するフレーム部６１に囲まれた空間内にミラ
ー部６３を配置し、ミラー部６３の中心よりオフセット
した部位とフレーム部６１の１辺とを弾性支持部６２で
接続している。弾性支持部６２は片持ち梁としてミラー
部６３を支持し、その長手方向中央部には長手方向にそ
った歪み検出素子６４と長手方向に対して４５°傾斜さ
せた歪み検出素子６５とが設けられている。これらの歪
み検出素子はそれぞれｐ型不純物を拡散して形成したピ
エゾ抵抗である。

【０００４】各保護板７０、７２はそれぞれ皿形状をな
し、後述するミラー部６３の振動による変位空間を確保
するようになっている。保護板７０には基板６０のミラ
ー部６３に対応する部位に光透過窓７１が設けられてい
る。このマイクロスキャナは図示しない圧電アクチュエ
ータに固定されて設置される。

【０００５】ここで、弾性支持部６２とミラー部６３と
からなる振動系は曲げと捩れの２つの共振点を有する。
したがって、圧電アクチュエータを曲げ振動の共振周波
数で駆動すると、ミラー部６３が共振によって変位し、
光透過窓７１から入射する光を反射して走査することに
なる。また、捩れ振動の共振周波数で駆動すると、ミラ
ー部６３が共振によって捩れ変位し、光透過窓７１から
入射する光を反射して曲げ共振時に対して直交する方向
に走査する。これらの組合せにより、２次元走査が可能
となる。

【０００６】曲げ振動の共振周波数は長手方向にそった
歪み検出素子６４の抵抗値変化に基づいて検出され、捩
れ振動の共振周波数は４５°傾斜の歪み検出素子６５の
抵抗値変化に基づいて検出されて、圧電アクチュエータ
の駆動においてフィードバック制御が行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のマイクロスキャナでは歪み検出素子６４、６５が弾
性支持部６２の中央部に設けられているので、例えばブ
リッジ回路を形成するにも例えばアルミニウムなどの金
属配線層を弾性支持部６２に設ける必要がある。このた
め、良好な変形特性を得るため弾性支持部６２の厚さを
薄くすると、金属配線層による残留応力が無視できなく
なり、感度の低下や、残留応力によるオフセットの変動
で共振時変位の検出精度が低下するという問題がある。

【０００８】同じく金属配線層の存在により、金属配線
層とシリコンの弾性支持部６２の熱膨張係数の違いか
ら、温度変動に対してバイメタル効果によるオフセット
や共振周波数の変動が生じる。これはまた長期的な信頼
性の低下にもつながる。さらにまた、捩れ検知用の歪み
検出素子６５が弾性支持部６２の長手方向に対して４５
°傾斜させて配置してあるから、弾性支持部６２の狭い
幅のなかでフルブリッジ回路を形成するレイアウトも困
難で、感度向上の手段を有効に利用できない。

【０００９】したがって本発明は、ミラー部を弾性支持
部で支持し弾性支持部の曲げおよび捩れ振動でミラー部
からの反射光を２次元走査する光スキャナにおいて、簡
単な構造で、ミラー部の変位検出を高精度に行い、信頼
性を向上させた小型の光スキャナを提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１の本
発明は、反射面を備えたミラー部をフレーム部から延び
る梁により支持したスキャナ基板と、ミラー部と梁から
なる振動系を励起する振動励起手段とを備え、梁を曲げ
振動および捩れ振動させることにより、ミラー部の反射
面に入射する光を２次元に走査反射する光スキャナ装置
において、梁のフレーム部との接続部近傍にフレーム部
からミラー部方向に延びる梁長手方向の複数の歪み検出
素子を備える歪み検出部を有して、該歪み検出部は、複
数の歪み検出素子のうちの少なくとも１つの歪み検出素
子の出力に基づいて梁の曲げ変形を検出するとともに、
所定の歪み検出素子間の出力の差に基づいて梁の捩れ変
形を検出するものとした。梁の歪み検出素子がフレーム
部近傍に形成されているので、歪み検出部において検出
回路等を形成する際の金属配線を実質的に梁上に延ばす
必要がない。

【００１１】請求項２の発明は、上記所定の歪み検出素
子を、それぞれ梁の各側辺の近傍に配置したものであ
る。梁が捩れ振動したときの逆相変形を大きく検出する
ことができる。

【００１２】請求項３の発明は、歪み検出部がさらに梁
上に梁幅方向に延びる複数の歪み検出素子を備え、該梁
幅方向に延びる歪み検出素子と梁長手方向に延びる歪み
検出素子とでブリッジ回路を形成しているものとした。

【００１３】請求項４の発明は、反射面を備えるミラー
部をフレーム部から延びる梁により支持したスキャナ基
板と、ミラー部と梁からなる振動系を励起する振動励起
手段とを備え、梁を曲げ振動および捩れ振動させること
により、ミラー部の反射面に入射する光を２次元に走査
反射する光スキャナ装置において、梁のフレーム部との
接続部近傍でかつ梁の各側辺近傍に形成された２本の梁
長手方向に延びる歪み検出素子と、２本の梁幅方向に延
びる歪み検出素子とを備える歪み検出部を有して、該歪
み検出部は、スイッチ切換えにより上記２本の梁長手方
向に延びる歪み検出素子が互いに対向するブリッジ回路
と互いに隣接するブリッジ回路とを形成し、梁長手方向
に延びる歪み検出素子が互いに対向するブリッジ回路で
は梁の曲げ変形を検出し、梁長手方向に延びる歪み検出
素子が互いに隣接するブリッジ回路では梁の捩れ変形を
検出するものとした。１つの回路の結線を切換えること
により、梁の曲げ変形と捩れ変形とが検出できる。

【００１４】請求項５の発明は、スキャナ基板が半導体
であって、該スキャナ基板の半導体素材をエッチング処
理して梁が形成され、梁長手方向に延びる歪み検出素子
および梁幅方向に延びる歪み検出素子はスキャナ基板上
に拡散形成されたピエゾ抵抗であるものとした。半導体
からのエッチング処理で梁を含むスキャナ基板が形成さ
れるので、小型に実現でき、また半導体のバッチプロセ
スによる製作が可能である。

【００１５】請求項６の発明は、梁長手方向に延びる歪
み検出素子が、それぞれフレーム部側からミラー部側へ
延びる２本のピエゾ抵抗の先端を連結した折り返し形状
を有するものとした。ピエゾ抵抗の寸法を短くしながら
大きな実質長さが得られる。

【００１６】請求項７の発明は、歪み検出素子を外部電
源回路に接続する金属配線が、梁を避けてフレーム部に
形成されているものとした。梁上に金属配線がないの
で、金属配線の存在による悪影響を受けない。また、請
求項８の発明は、ミラー部の厚さを梁の厚さより大きく
したもので、こにより、ミラー部の変形が防止される。

【００１７】

【発明の効果】請求項１の発明では、振動励起手段によ
りミラー部と梁からなる振動系を励起して梁を曲げ振動
および捩れ振動させることにより、ミラー部で光を２次
元に走査反射する光スキャナ装置において、歪み検出部
の複数の歪み検出素子を梁のフレーム部との接続部近傍
に配置し、曲げ変形の検出とともに、所定の歪み検出素
子間の出力の差に基づいて梁の捩れ変形を検出するもの
としたので、歪み検出部において検出回路等を形成する
際の金属配線を実質的に梁上に延ばす必要がなく、歪検
出における金属配線に起因する検出精度の低下、温度変
動に対するオフセットや共振周波数の変動から解放さ
れ、高い信頼性が得られる。

【００１８】請求項２の発明は、梁の捩れ変形検出に用
いる歪み検出素子を、それぞれ梁の各側辺の近傍に配置
したので、捩れ振動時の逆相変形が大きく、捩れ変形に
対して高い検出出力が得られる。

【００１９】請求項３の発明は、歪み検出部が梁長手方
向の歪み検出素子に加えてさらに梁幅方向の歪み検出素
子を備えるので、両歪み検出素子でフルブリッジ回路が
形成でき、感度が向上する。

【００２０】請求項４の発明は、歪み検出部が梁の各側
辺近傍に形成された２本の梁長手方向の歪み検出素子
と、２本の梁幅方向の歪み検出素子とを備えて、スイッ
チ切換えにより梁の曲げ変形を検出するブリッジ回路
と、梁の捩れ変形を検出するブリッジ回路とを形成する
ものとしたので、簡単構成の回路で梁の曲げ変形と捩れ
変形とが検出でき、検出素子数が少ないので幅狭の梁上
にも容易に形成できるとともに、検出回路も小型とな
る。

【００２１】請求項５の発明は、半導体からのエッチン
グ処理で梁を含むスキャナ基板が形成されるので、小型
に実現でき、また半導体のバッチプロセスにより低コス
トで大量生産ができる。

【００２２】請求項６の発明は、梁長手方向の歪み検出
素子として折り返し形状のピエゾ抵抗としたので、歪み
検出素子のサイズを短くしながら大きな実質長さが得ら
れるとともに、フレーム部側から梁上へ延ばしたピエゾ
抵抗の他端がフレーム部側へ戻ってくるので、ピエゾ抵
抗に接続する金属配線を確実にフレーム部上に限定する
のにとくに有効である。

【００２３】請求項７の発明は、梁幅方向の歪み検出素
子も含めて、歪み検出素子に接続する金属配線をフレー
ム部上に限定するので、応力による感度の低下が防止さ
れ、また温度変動に対してバイメタル効果によるオフセ
ットや共振周波数の変動が防止されて信頼性が向上す
る。

【００２４】請求項８の発明は、ミラー部の厚さを梁の
厚さより大きくしているので、梁の変形にかかわらずミ
ラー部の反射面の平滑を保持して走査ビームの歪やズレ
を抑え、走査の精度が確実に高められる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例により説明する。図１は第１の実施例の構成を示し、
（ａ）はスキャナ基板を取り出して示す平面図であり、
（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ部断面図で、光スキャナ
の全体組立状態を示す。まず（ｂ）の断面図に示すよう
に、スキャナ基板１の底面に圧電アクチュエータ６が固
定され、またスキャナ基板１の上面には保護板７が接合
されて、サンドイッチ構造が形成されている。

【００２６】スキャナ基板１にはその周辺を画成するフ
レーム部２（（ｂ）参照）に弾性支持部３でミラー部４
を支持した振動系が形成されている。弾性支持部３とミ
ラー部４の厚さはフレーム部２の厚さより薄く、フレー
ム部２の上面にそって延びている。したがって、弾性支
持部３とミラー部４の裏面側には圧電アクチュエータ６
との間に空間Ｒ１が形成されている。また、保護板７は
皿形状をなし、弾性支持部３とミラー部４の上方に空間
Ｒ２を形成している。これにより、ミラー部４の振動に
よる変位空間が確保される。保護板７にはスキャナ基板
のミラー部４に対応する部位に光透過窓８が設けられて
いる。

【００２７】スキャナ基板はｎ型シリコンで形成され、
（ｂ）の平面図に示すように、周辺を画成するフレーム
部２に囲まれた空間９内にミラー部４が配置されてい
る。ミラー部４はフレーム部２の１辺と弾性支持部３で
接続され、弾性支持部３はミラー部４に対してその幅寸
法が小さく設定され、片持ち梁としてミラー部４を支持
している。ここでは、弾性支持部３の長手方向の中心線
はミラー部４の中心を通っている。なお、本願において
は、梁のフレーム部からミラー部方向に延びるスパン方
向を梁の長手方向、これに直角の方向を梁幅方向と呼
ぶ。ミラー部４の表面には金やアルミニウムなどの金属
薄膜からなる反射膜５が形成されて、光透過窓８から入
射する光に対する反射面となっている。

【００２８】弾性支持部３とミラー部４からなる振動系
は圧電アクチュエータ６を駆動することにより加振され
る。弾性支持部３の曲げ振動にかかる共振周波数で駆動
すると、弾性支持部３が共振によって曲げ変位し、捩れ
振動にかかる共振周波数で駆動すると、弾性支持部３が
共振によって捩れ変位して、ミラー部４が光透過窓８か
ら入射する光を同じく光透過窓８を通して反射し走査す
ることになる。そして曲げ振動と捩れ振動の組合せによ
り、２次元走査が可能となる。

【００２９】ミラー部４の変位算出のために、弾性支持
部３のフレーム部２との接続部には、その上面にピエゾ
抵抗からなる歪み検出部１０が形成されて、弾性支持部
３の歪量（変形量）を検出するようになっている。図２
は、歪み検出部１０の詳細を示す弾性支持部とフレーム
部の接続部分の拡大図である。弾性支持部３の幅方向に
４つのピエゾ抵抗２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０
ｄ）が並べて設けられている。このうち２つのピエゾ抵
抗２０ａ、２０ｂは弾性支持部３の一方の側辺寄りに配
置され、残りの２つのピエゾ抵抗２０ｃ、２０ｄは弾性
支持部３の他方の側辺寄りに配置されている。

【００３０】各ピエゾ抵抗２０は弾性支持部の長手方向
に延びる２本の平行な細長の抵抗半部２１、２２の各先
端を連結リード２４で連結して構成され、他端がフレー
ム部２の内縁延長線Ｂ上に１辺を一致させてフレーム部
側に設けられた矩形形状のベースリード２７、２８（２
７ａ、２８ａ：２７ｂ、２８ｂ：２７ｃ、２８ｃ：２７
ｄ、２８ｄ）に接続されている。ベースリード２７、２
８はその長手方向を、弾性支持部の長手方向と平行にし
て配置されている。各ピエゾ抵抗２０は、梁長手方向に
延びる歪み検出素子に該当する。なお、以下、各ピエゾ
抵抗等間を区別するときは参照番号に添字（ａ、ｂ、
ｃ、ｄ）を付し、共通の場合には添字を略して説明す
る。

【００３１】フレーム部２上には、ピエゾ抵抗２０ａ、
２０ｂ、２０ｃ、２０ｄと対をなして、ピエゾ抵抗２０
と同様に連結リード２４で連結された２本の抵抗半部２
１、２２の一方をベースリード２７または２８に接続し
た参照ピエゾ抵抗３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０
ｄ）が形成されている。そして参照ピエゾ抵抗３０にお
ける他方の抵抗半部の端は、参照ベースリード２９（２
９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ）に接続している。参照
ベースリード２９はベースリード２７、２８と同形状で
その長手方向をベースリード２７、２８に対して直角方
向に配置されている。

【００３２】すなわち、参照ピエゾ抵抗３０ａの抵抗半
部２１、２２は参照ベースリード２９ａとベースリード
２７ａに接続され、参照ピエゾ抵抗３０ｂの抵抗半部２
１、２２はベースリード２８ｂと参照ベースリード２９
ｂに接続され、参照ピエゾ抵抗３０ｃの抵抗半部２１、
２２は参照ベースリード２９ｃとベースリード２７ｃに
接続され、参照ピエゾ抵抗３０ｄの抵抗半部２１、２２
はベースリード２８ｄと参照ベースリード２９ｄに接続
されている。

【００３３】ベースリード２８ａ、２７ｂ、２７ｄおよ
び参照ベースリード２９ｃは、フレーム部２を延びるア
ルミニウム配線３６によって電圧源Ｖｃｃに接続され
る。参照ベースリード２９ａ、２９ｂ、２９ｄおよびベ
ースリード２８ｃは同じくフレーム部を延びるアルミニ
ウム配線３７によって接地端子ＧＮＤに接続される。ま
た、それぞれフレーム部を延びるアルミニウム配線によ
って、ベースリード２８ｂは端子Ａ１へ、ベースリード
２７ｃは端子Ａ２へ、ベースリード２７ａは端子Ｂ１
へ、そしてベースリード２８ｄは端子Ｂ２へ接続され
る。

【００３４】なお、ベースリード２７、２８、参照ベー
スリード２９ならびに連結リード２４は、ピエゾ抵抗２
０（抵抗半部２１、２２）と同じｐ型拡散層として形成
されるが、抵抗半部２１、２２と比較して幅広の大面積
を備えるので、きわめて低抵抗の単なる配線接続部とし
て機能する。上記のように構成された歪み検出部１０
は、図３の（ａ）に示す第１のブリッジ回路１００と、
（ｂ）に示す第２のブリッジ回路１０２とを形成してい
る。これらの作用については後述する。

【００３５】つぎに、図４はｎ型シリコンを素材とし
て、上記のスキャナ基板１の作製要領を示す。まず、
（ａ）に示すように、板状の（１００）ｎ型シリコン素
材８０の上面に熱酸化膜８１を形成したあと、マスキン
グの上ボロンのイオンを注入して、ｐ型拡散抵抗８２を
＜１１０＞方向に形成する。つぎに、（ｂ）に示すよう
に、熱酸化膜８１にｐ型拡散抵抗８２とのコンタクトの
ためのエッチングを施し、蒸着あるいはスパッタリング
によりアルミニウム膜８３をパターニング形成して、ア
ルミニウム配線３６、３７等とする。 この際、同時に
ミラー部相当部分にもアルミニウム膜８４を形成して反
射膜５とする。

【００３６】このあと、（ｃ）のように、シリコン素材
８０の裏面からエッチングを行って凹部８５を形成し、
弾性支持部３およびミラー部４相当部分の厚さを薄くす
る。具体的には、裏面に耐エッチング膜を形成したうえ
これをパターニングしてエッチングする。エッチング方
法としては、ＫＯＨ等の強アルカリ液を用いたウエット
エッチングやＳＦ６等のガスを用いたドライエッチング
など適宜に選択できる。

【００３７】次いで、上面に耐エッチング膜を形成し、
パターニングして、フレーム部２内側に空隙（９）を形
成して弾性支持部３およびミラー部４を画成する。その
後残った耐エッチング膜を除去して完成する。図４の
（ｄ）はこの状態を示している。上記のｐ型拡散抵抗８
２がピエゾ抵抗２０ならびに参照ピエゾ抵抗３０とな
る。

【００３８】上記した各ステップはいずれも一般的なＬ
ＳＩ（高密度集積）プロセスとして周知であり、多数個
のスキャナ基板１が素材ウエハ上に同時に作製された
後、ダイシングにより個々のチップに分割される。

【００３９】このように形成されたスキャナ基板におい
て、図３の（ａ）に示す第１のブリッジ回路１００で
は、ピエゾ抵抗２０ｂと２０ｃが互いに対向する辺とな
っており、抵抗値の同相で変化する成分を出力し、逆相
で変化する成分はキャンセルされる。したがってこのブ
リッジ回路では、弾性支持部の幅の両側において同相、
すなわち曲げによる変形が検出される。

【００４０】一方、図３の（ｂ）に示す第２のブリッジ
回路１０２では、ピエゾ抵抗２０ａと２０ｄが互いに隣
接する辺となっており、抵抗値の逆相で変化する成分を
出力し、同相で変化する成分はキャンセルされる。した
がってこのブリッジ回路では、弾性支持部の幅の両側に
おいて逆相、すなわち捩れによる変形が検出される。

【００４１】以上のように構成されたスキャナ基板１を
圧電アクチュエータ６に固定した本実施例では、圧電ア
クチュエータ６を所定の周波数で駆動して振動させるこ
とで、弾性支持部３とミラー部４からなる振動系が曲げ
共振ならびに捩れ共振に励起される。これにより、ミラ
ー部４が変位して傾くので、反射膜５に照射される入射
光に対する反射光は偏向される。偏向角度はミラー部４
の機械的な傾き角の２倍であり、ミラー部４の変位は上
記第１および第２のブリッジ回路１００、１０２により
算出できるので、反射光のビーム方向を特定することが
できる。

【００４２】本実施例は以上のように構成され、半導体
素材からＬＳＩプロセスにより作製され、きわめて小型
に２次元走査の光スキャナが実現される。そして同じく
ＬＳＩプロセスで大量生産可能であるから、顕著なコス
ト低減が得られる。

【００４３】そして、歪み検出部１０において、ピエゾ
抵抗２０のみをフレーム部２の内縁延長線Ｂから曲げお
よび捩れの生じる弾性支持部３上へ延ばして配置すると
ともに、配線接続部となるベースリード２７、２８をフ
レーム部２上に配置したので、これによりアルミニウム
配線３６、３７の金属配線層もすべてフレーム部２上と
なり、金属配線層を弾性支持部３に設けた場合のような
残留応力の発生がなく、また温度変動に起因するバイメ
タル効果によるオフセットや共振周波数の変動のおそれ
もない。

【００４４】また、弾性支持部３上へ延ばした４つのピ
エゾ抵抗２０を弾性支持部３の幅方向に並べ、内側に位
置する２つのピエゾ抵抗２０ｂ、２０ｃと外側に位置す
る２つのピエゾ抵抗２０ａ、２０ｄとにグループ分けす
るとともに、参照ピエゾ抵抗３０ａ〜３０ｄをフレーム
部２上に設けて両グループのピエゾ抵抗と組合せて、同
相で変化する変形成分のみを出力する第１のブリッジ回
路１００と、逆相で変化する変形成分のみを出力する第
２のブリッジ回路１０２とを形成したので、弾性支持部
３の曲げと捩れをそれぞれ精度良く独立に検出できる。
ここで、弾性支持部３の両側辺近傍に位置させた外側の
ピエゾ抵抗２０ａ、２０ｄで逆相変化成分を出力する第
２のブリッジ回路１０２を構成しているので、捩れ検出
の精度がとくに高められている。

【００４５】なお、スキャナ基板１の作製要領について
は、ｎ型シリコンを素材として説明したが、例えば素材
としてＳＯＩ板を用いる場合は、弾性支持部３およびミ
ラー部４相当部分に埋め込み酸化膜を形成し、エッチン
グをこの埋め込み酸化膜で停止させることにより、弾性
支持部およびミラー部の厚さを高精度に実現することが
容易となる。また、素材としてｐ型シリコン上にｎ型エ
ピタキシャル層を形成したものを用いるときも、エレク
トロケミカルエッチングでｎ型エピタキシャル層のみを
残して弾性支持部およびミラー部とすることにより、同
様に精度の高い厚さを簡単に実現できる。

【００４６】また、ミラー部４に形成する反射膜５も、
アルミニウム膜に限らず、アルミニウム膜の形成とは別
工程により、一層反射率の高い金など他の金属膜を形成
して反射膜とすることができる。

【００４７】さらに、実施例では、スキャナ基板１の底
面に圧電アクチュエータ６を固定し、スキャナ基板１の
フレーム部２を介して弾性支持部３およびミラー部４を
加振するようにしているが、変形例として図５に示すよ
うに、弾性支持部３、さらにはミラー部４までの裏面に
図示省略の電極を備える圧電膜６Ａを形成し、電圧を印
加することにより、弾性支持部３に曲げや捩れ変形を生
起させることができる。

【００４８】あるいはまた、圧電膜６Ａのかわりに磁歪
膜を形成して、これに外部から磁界を印加することによ
り、同様に弾性支持部に曲げや捩れ変形を生起させるこ
とができる。これら圧電膜６Ａや磁歪膜などの機能薄膜
をスキャナ基板１の弾性支持部３からミラー部４に一体
形成した場合には、スキャナ基板１を別体の圧電アクチ
ュエータに取付ける実装工程が不要となり、低コスト化
とともに、スキャナ全体の一層の小型化が図れる。

【００４９】さらに、実施例では弾性支持部３とミラー
部４の厚さを同一としたが、他の変形例として図６に示
すように、スキャナ基板１’において、ミラー部４’の
厚さを弾性支持部３よりも厚くすることにより、圧電ア
クチュエータ６の駆動で共振したときミラー部までが弾
性支持部３と同様に曲げ変形や捩れ変形するおそれがあ
る場合でも、確実にミラー部４’の反射面（反射膜５）
の平滑を保持して走査ビームの歪やズレを抑え、走査の
精度を高めることができる。

【００５０】つぎに、図７は第２の実施例として、歪み
検出部におけるピエゾ抵抗の他のレイアウトを示す。第
２の実施例の歪み検出部１０’では、弾性支持部３の長
手方向に平行に延ばした第１ピエゾ抵抗５０（５０ａ、
５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）に加えて、これらに対応させ
た弾性支持部３の幅方向に延びる第２ピエゾ抵抗５２
（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ）を弾性支持部３上
に形成している。

【００５１】すなわち、それぞれフレーム部２の内縁延
長線Ｂ上に１辺を略一致させて矩形形状のベースリード
５４（５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ）がフレーム部
２に弾性支持部３の幅方向に並べて設けられ、ベースリ
ード５４はその長手方向が弾性支持部３の長手方向と平
行にして配置されている。第１ピエゾ抵抗５０はこれら
のベースリード５４から弾性支持部３の長手方向に平行
に弾性支持部３上へ延びる。各ピエゾ抵抗５０の先端
は、ベースリード５４と隣接して並べられるとともにフ
レーム部２上から弾性支持部３上へ延びたベースリード
５５（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ）に接続してい
る。

【００５２】第２ピエゾ抵抗５２は以下のように接続さ
れる。すなわち、第２ピエゾ抵抗５２ａは一端がピエゾ
抵抗５０ａの先端に接続されて、弾性支持部３の幅方向
に延びている。同様に第２ピエゾ抵抗５２ｄの一端がピ
エゾ抵抗５０ｄの先端に接続されて、弾性支持部３の幅
方向に延びている。ピエゾ抵抗５２ａ、５２ｄの各他端
は、それぞれベースリード５４と隣接して並べられると
ともにフレーム部２上から弾性支持部３上へ延びたベー
スリード５６ａ、５６ｄに接続している。

【００５３】さらに、ピエゾ抵抗５０ｂおよび５０ｃの
ベースリード５４ｂおよび５４ｃとの接続点間に第２ピ
エゾ抵抗５２ｂが幅方向に延び、ピエゾ抵抗５０ｂおよ
び５０ｃの先端間には第２ピエゾ抵抗５２ｃが幅方向に
延びている。各ピエゾ抵抗５０は梁長手方向に延びる歪
検出素子に該当し、各ピエゾ抵抗５２は梁幅方向に延び
る歪検出素子に該当する。ベースリード５４、５５およ
び５６は、ピエゾ抵抗５０、５２と同じｐ型拡散層とし
て形成されるが、ピエゾ抵抗と比較して幅広の大面積を
備えるので、きわめて低抵抗の単なる配線接続部として
機能する。

【００５４】ベースリード５６ａ、５５ｂ、５６ｄは、
フレーム部２を延びるアルミニウム配線３６’によって
電圧源Ｖｃｃに接続される。ベースリード５４ａ、５４
ｃ、５４ｄは同じくフレーム部２を延びるアルミニウム
配線３７’によって接地端子ＧＮＤに接続される。ま
た、それぞれフレーム部２を延びるアルミニウム配線に
よって、ベースリード５４ｂは端子Ａ１へ、ベースリー
ド５５ｃは端子Ａ２へ、ベースリード５５ａは端子Ｂ１
へ、そしてベースリード５５ｄは端子Ｂ２へ接続され
る。以上の歪み検出部１０’を備えるスキャナ基板の作
製要領は、第１の実施例におけるスキャナ基板１の作成
要領に準じる。

【００５５】＜１１０＞方向に形成された各ピエゾ抵抗
は、長手方向応力と幅方向応力に対し極性が逆で同程度
の抵抗値変化を現わすので、フルブリッジ回路として感
度を向上できる。すなわち、上記のように構成された歪
み検出部１０’には、第１の実施例と同様に、図８の
（ａ）に示す第１のブリッジ回路１０４と、（ｂ）に示
す第２のブリッジ回路１０６とが形成される。第１のブ
リッジ回路１０４では、弾性支持部３上で互いに平行に
配置されたピエゾ抵抗同士が対向する辺となっており、
曲げによる変形が高い感度で検出される。また第２のブ
リッジ回路１０６では、弾性支持部３上で互いに平行に
配置されたピエゾ抵抗同士が隣接する辺となっており、
捩れによる変形が高い感度で検出される。

【００５６】本実施例は以上のように構成され、金属配
線層であるアルミニウム配線３６’、３７’がすべてフ
レーム部２上に配置され、弾性支持部３にないので、前
実施例と同じく残留応力の発生がなく、また温度変動に
起因するオフセットや共振周波数の変動のおそれもな
い。

【００５７】つぎに、歪み検出部におけるレイアウトを
異ならせた第３の実施例について説明する。図９に示す
ように、この実施例においては、前実施例の第１ピエゾ
抵抗５０ａ〜５０ｄのうち、弾性支持部の幅中央寄りの
ピエゾ抵抗５０ｂ、５０ｃを廃し、同様に幅中央寄りの
ピエゾ抵抗５２ｂ、５２ｃを廃して、第１ピエゾ抵抗５
０ａと５０ｄ、および第２ピエゾ抵抗５２ａと５２ｄと
で歪み検出部１０”を構成している。ベースリード５６
ｄは、フレーム部２を延びるアルミニウム配線３６”に
よって電圧源Ｖｃｃに接続され、ベースリード５４ｄが
同じくフレーム部２を延びるアルミニウム配線３７”に
よって接地端子ＧＮＤに接続される。

【００５８】ベースリード５４ａとベースリード５６ａ
はそれぞれアルミニウム配線３８、３９によってスイッ
チ素子６１、６２に接続され、これらのスイッチ素子に
よる切換えにしたがって、電圧源Ｖｃｃへのアルミニウ
ム配線３６”または接地端子ＧＮＤへのアルミニウム配
線３７”に接続されるようになっている。スイッチ素子
６１、６２もＬＳＩプロセスにより例えばトランジスタ
スイッチとしてスキャナ基板のフレーム部２に作り込ま
れる。また、それぞれフレーム部２を延びるアルミニウ
ム配線によって、ベースリード５５ａは端子Ｃ１へ、ベ
ースリード５５ｄは端子Ｃ２へ接続される。

【００５９】これにより、歪み検出部１０”のブリッジ
回路は、図１０に示すようなものとなる。スイッチ素子
６１が電圧源Ｖｃｃ側へ接続され、スイッチ素子６２が
接地端子ＧＮＤ側へ接続されると、弾性支持部３上で互
いに平行な第１ピエゾ抵抗５０ａ、５０ｄが互いに対向
する辺となり、互いに平行な第２ピエゾ抵抗５２ａ、５
２ｄが互いに対向する辺となるブリッジ回路が形成さ
れ、端子Ｃ１、Ｃ２間に抵抗値の同相で変化する成分を
出力して、曲げ変形が高感度で検出される。一方、スイ
ッチ素子６１が接地端子ＧＮＤ側へ接続され、スイッチ
素子６２が電圧源Ｖｃｃ側へ接続されると、第１ピエゾ
抵抗５０ａ、５０ｄが互いに隣接し、第２ピエゾ抵抗５
２ａ、５２ｄも互いに隣接するブリッジ回路が形成さ
れ、端子Ｃ１、Ｃ２間に抵抗値の逆相で変化する成分を
出力して、捩れ変形が高感度で検出される。

【００６０】本実施例は以上のように構成され、１組の
ピエゾ抵抗のスイッチ素子による接続切換えでそれぞれ
曲げ変形と捩れ変形を検出する２つのブリッジ回路を形
成することができるので、検出回路の所要スペースが少
なくて済み、幅狭の弾性支持部への適用も容易となっ
て、スキャナ全体が小型化される。

【００６１】なお、各実施例において、フレーム部２か
ら延びる弾性支持部３の長手方向の中心線はミラー部４
の中心を通っているが、図１１の従来例と同様に、さら
に弾性支持部をミラー部の中心とオフセットした部位で
接続すると、捩れ振動の際の変位を大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図である。

【図２】歪み検出部の詳細を示す拡大図である。

【図３】歪み検出部に形成されるブリッジ回路を示す図
である。

【図４】スキャナ基板の作製要領を示す図である。

【図５】実施例の変形例を示す図である。

【図６】他の変形例を示す図である。

【図７】第２の実施例を示す図である。

【図８】第２の実施例におけるブリッジ回路を示す図で
ある。

【図９】第３の実施例を示す図である。

【図１０】第３の実施例におけるブリッジ回路を示す図
である。

【図１１】従来例を示す図である。

【符号の説明】

１、１’ スキャナ基板 ２ フレーム部 ３ 弾性支持部（梁） ４、４’ ミラー部 ５ 反射膜 ６ 圧電アクチュエータ（振動励起手段） ６Ａ 圧電膜（機能薄膜） ７ 保護板 Ｒ１、Ｒ２ 空間 ８ 光透過窓 ９ 空間 １０、１０’、１０” 歪み検出部 ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ ピエゾ抵抗 ２１、２２ 抵抗半部 ２４ 連結リード ２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ ベースリード ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ ベースリード ２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ 参照ベースリード ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ 参照ピエゾ抵抗 ３６、３６’、３６” アルミニウム配線（金属配
線） ３７、３７’、３７”、３８、３９ アルミニウム配
線（金属配線） ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ 第１ピエゾ抵抗 ５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ 第２ピエゾ抵抗 ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ ベースリード ５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ ベースリード ５６ａ、５６ｄ ベースリード ６１、６２ スイッチ素子 ８０ シリコン素材 ８１ 熱酸化膜 ８２ ｐ型拡散抵抗 ８３、８４ アルミニウム膜 ８５ 凹部 １００、１０４ 第１のブリッジ回路 １０２、１０６ 第２のブリッジ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 タリック ブルイナ 東京都港区六本木７−22−１ 東京大学生 産技術研究所内 (72)発明者 ジルベール レイヌ 東京都港区六本木７−22−１ 東京大学生 産技術研究所内 (72)発明者 エリック ルブラッスール 東京都港区六本木７−22−１ 東京大学生 産技術研究所内 (72)発明者 室 英夫 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 2C362 BA17 BA18 2H045 AB13 AB44 AB73 AB81 BA12 BA18 5C072 AA03 DA04 DA21 DA23 HA12 XA05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射面を備えたミラー部をフレーム部か
   ら延びる梁により支持したスキャナ基板と、前記ミラー
   部と梁からなる振動系を励起する振動励起手段とを備
   え、前記梁を曲げ振動および捩れ振動させることによ
   り、前記ミラー部の反射面に入射する光を２次元に走査
   反射する光スキャナ装置において、前記梁のフレーム部
   との接続部近傍に前記フレーム部から前記ミラー部方向
   に延びる梁長手方向の複数の歪み検出素子を備える歪み
   検出部を有して、該歪み検出部は、前記複数の歪み検出
   素子のうちの少なくとも１つの歪み検出素子の出力に基
   づいて梁の曲げ変形を検出するとともに、所定の歪み検
   出素子間の出力の差に基づいて梁の捩れ変形を検出する
   ことを特徴とする光スキャナ装置。
2. 【請求項２】 前記所定の歪み検出素子は、それぞれ前
   記梁の各側辺の近傍に配置されていることを特徴とする
   請求項１記載の光スキャナ装置。
3. 【請求項３】 前記歪み検出部はさらに前記梁上にその
   梁幅方向に延びる複数の歪み検出素子を備え、該梁幅方
   向に延びる歪み検出素子と前記梁長手方向に延びる歪み
   検出素子とでブリッジ回路を形成していることを特徴と
   する請求項１または２記載の光スキャナ装置。
4. 【請求項４】 反射面を備えるミラー部をフレーム部か
   ら延びる梁により支持したスキャナ基板と、前記ミラー
   部と梁からなる振動系を励起する振動励起手段とを備
   え、前記梁を曲げ振動および捩れ振動させることによ
   り、前記ミラー部の反射面に入射する光を２次元に走査
   反射する光スキャナ装置において、前記梁のフレーム部
   との接続部近傍でかつ梁の各側辺近傍に形成された２本
   の梁長手方向に延びる歪み検出素子と、２本の梁幅方向
   に延びる歪み検出素子とを備える歪み検出部を有して、
   該歪み検出部は、スイッチ切換えにより前記２本の梁長
   手方向に延びる歪み検出素子が互いに対向するブリッジ
   回路と互いに隣接するブリッジ回路とを形成し、前記梁
   長手方向に延びる歪み検出素子が互いに対向するブリッ
   ジ回路では梁の曲げ変形を検出し、梁長手方向に延びる
   歪み検出素子が互いに隣接するブリッジ回路では梁の捩
   れ変形を検出することを特徴とする光スキャナ装置。
5. 【請求項５】 前記スキャナ基板が半導体であって、該
   スキャナ基板の半導体素材をエッチング処理して前記梁
   が形成され、前記梁長手方向に延びる歪み検出素子およ
   び梁幅方向に延びる歪み検出素子は前記スキャナ基板上
   に拡散形成されたピエゾ抵抗であることを特徴とする請
   求項１、２、３または４記載の光スキャナ装置。
6. 【請求項６】 前記梁長手方向に延びる歪み検出素子
   は、それぞれ前記フレーム部側から前記ミラー部側へ延
   びる２本のピエゾ抵抗の先端を連結した折り返し形状を
   有することを特徴とする請求項５記載の光スキャナ装
   置。
7. 【請求項７】 前記各歪み検出素子を外部電源回路に接
   続する金属配線が、前記梁を避けてフレーム部に形成さ
   れていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５ま
   たは６記載の光スキャナ装置。
8. 【請求項８】 前記ミラー部の厚さが前記梁の厚さより
   大きいことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６
   または７記載の光スキャナ装置。